一种重力流圆形水管道的流量测量装置

一种重力流圆形水管道的流量测量装置

宁欣

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摘要：本技术创新目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种重力流圆形水管道的流量测量装置。按照常规设计，应选用巴歇尔槽超声波流量计的测量方法进行流量测量。但采用巴歇尔槽测量雨水流量存在两点问题：

（1）雨排管道周边位置有限，无法施工建造此明渠；

（2）雨排管道日常排水量均在10m3/h以下，每年平均降雨量约在40-60 m3/h，但19#巴歇尔槽测量流量的范围为：684-52848m3/h，因此安装巴歇尔槽后，小流量无法测量。

与现有技术相比，创新后的测量装置有益效果是：

（1）雷达液位计不受蒸汽、凝结水的影响，使用效果会优于传统的超声波液位计，便于更精确的测量雨排管道中的雨水液位；

（2）防护罩的设置减少了探测头的清洗频率，防止探测头堵塞，从而使雨排液位测定系统运行稳定、测量准确，能够达到预期效果，满足现场使用；

（3）通过试验得出水深–流量的关系曲线。最终通过公式计算出雨排管道的流量数据；

（4）雷达液位计及流量计算公式的应用可供本领域人员做参考，针对大型重力流圆形管道，在现场不具备安装巴歇尔槽的情况下，可以参考此种测量进行。

一．一种重力流圆形水管道的流量测量装置的实施背景

（一）项目背景

根据环保规范的要求，厂区雨水外排口需安装流量在线连续监测装置，用于对雨水、污水分流的实时监控。

（二）存在问题

雨排总管为重力流，总管敷设在地下9米处，管道坡度约为4°，管道直径DN3000，最大排水量50400m³/h，按照《HJ353-2019水污染源在线监测系统安装技术规范》第3.3条中的规定，“用于测量明渠出流及不充满管道的各类污水流量的设备，采用超声波发射波和反射波的时间差测量标准化计量堰（槽）内的水位，通过变送器用 ISO 流量标准计算法换算成流量。”应选用巴歇尔槽超声波流量计的测量方法对流量进行测量。根据设计的最大排水量，雨排管道测量流量需使用19#巴歇尔槽，建造7m×19m×9m（宽、深、长）的明渠。但采用巴歇尔槽测量雨水流量存在以下两点问题：

（1）雨排管道周边位置有限，建造7m×19m×9m（宽、深、长）的明渠，现场无法进行施工，且后期使用过程中有较大的安全风险；

（2）按照相关环保部门的要求，雨污分流后，雨排管道用于雨水季厂区内的雨水溢流，日常状态下雨排管道不应有水排出，因此日常排水量均在10m3/h以下。但19#巴歇尔槽测量流量的范围为：684-52848m3/h，针对此情况，安装巴歇尔槽后日常小流量的雨水流量无法进行监控。

二．一种重力流圆形水管道的流量测量装置的主要做法

（一）成果内涵

为满足环保部门的相关要求，在结合公司的实际情况后，确定选用高频雷达液位计为核心设备，雷达液位计可以应用于圆形管道的液位测量，且不受蒸汽、凝结水的影响。测量出准确的液位后，再配套自主设计的积算仪计算出流量值的监测方式，来实现雨水流量非接触式连续在线监测。

在雨排管道的正上方开孔（DN100的孔径），用于安装雷达液位计，雷达液位计安装在正上方能够有限保证雷达波的测量精度，并在雷达探测头处安装防护罩，防护罩的横截面为左侧短右侧长的梭形，便于迎水面阻塞雨水中的泥沙，而雨水从透水面快速通过，加快排水速度，也使液位测量更顺利，提高液位计的安全可靠性。流量的计算，参考“基于栅格的不规则断面水深– 流量关系曲线确定方法”，确定水深–流量的关系曲线，得出相应公式后，写入积算仪中，最终得出雨水的具体流量数据。

（二）主要做法

本项目自从2019年11月起，结束于2020年1月，历时共计3个月，期间经过外部调研，内部讨论等措施，最终选定以KORHNE高频雷达液位计为核心设备，配套MGCS触控屏和研华模拟量采集计算模块，将实时采集的雨水液位数值通过模拟量采集模块传送给触控屏，通过内置的断面水深– 流量关系曲线确定方法，将液位值转换成瞬时流量数值，实现实时、连续监测管道排水量目的。本项目已获取国家知识产权局授权的实用新型专利，专利号：ZL 2021 2 0397634.0。

在项目实施的过程中主要有以下两方面的创新做法：

1.技术创新

（1）雨水流量测量装置以高频雷达液位计为核心设备，将实时采集的雨水液位数值通过模拟量采集模块传送给积算仪，通过内置特殊算法，将液位值转换成瞬时流量数值，实现实时、连续监测管道排水量的目的；

（2）测量出准确的管道液位后，在选定断面上插入栅格的数量推求不同水深的过流面积，通过水准测量及试验等方法率定计算参数，计算确定水深–流量的关系曲线；

（3）研究所用的基本公式为曼宁平均流速公式和流量计算公式(式(1)~(2))，因为天然河道的断面形状多是不规则的，在实际计算时，首先要推求不同水深时的过流面积，进而计算不同水深时的流量；

（4）公式中，v 为水流速度，(m·s −1 )，n 为曼宁粗度系数(s·m

−1/3 )，R 为水力半径，(m)，I 为水力坡降，计算时以河道坡度近似代替，Q 为流量，(m 3 ·s −1 )，A 为过流面积，(m 2 )，h 为水深，(m)；

（5）雷达液位计不受蒸汽、凝结水的影响，使用效果会优于传统的超声波液位计，便于更精确的测量雨排管道中的雨水液位；

（6）防护罩的设置减少了探测头的清洗频率，防止探测头堵塞，从而使雨排液位测定系统运行稳定、测量准确，能够达到预期效果，满足现场使用；

（7）通过核算各装置界区的雨水排放流量，与基于此种测量方式得出的雨排流量值进行对比，流量值的偏差在3%以内；

2.运维创新

（1）实行早接班制度。通过信息化手段，环保技术员每天实时跟踪雨排流量在线监测设施的运行状态，第一时间掌握异常情况，形成雨排流量日报表、月报表的管理台账，并在每天早交接班会上通报雨排流量的异常情况。

（2）深入贯彻零异常理念。当雨排流量出现异常事件时，坚持“四不放过”原则，深入分析总结事件发生的原因与暴露的问题，并制定整改措施。停机超过6小时，检修人员必须向公司安全环保监察部上报异常信息快报。

（3）现场应急处置。当雨排流量发生故障事件时，环保技术员第一时间到达现场进行原因分析，制定处理措施，防止异常数据记录时间过长。为保证应急处置的效果，公司仪表保运中心优化内部环保管理机制，成立仪表保运中心环保责任人职责，合理调配人力，确保应急处置人员的合理及时安排。

三．一种重力流圆形水管道的流量测量装置的实施效果

（一）实施效果

本项目自2020年1月完成安装调试后，运行至今未出现过异常故障，解决了雨排管道流量无法准确计量的问题。

（二）经济效益

1.节省了使用巴歇尔槽测量流量所需的现场施工及设备设施费用；（约节约60万元）

2.降低了雨排在线监测装置备品备件的日常消耗。（约节约备件费用20万元/年）

3.通过提升设备的可靠性，解放了检修班组的人员力量，避免了环保项目的外委运维费用。（约节约运维费用10万元/年）

（三）社会效益

为公司企业形象的提升做出了重大的贡献，本项目的成功应用，为重力流圆形水管道的流量测量提出了新的应用方式。在各级环保部门的检查及督促中提供了重要的数据支撑，在多次检查中，被环保部门的专家认可并提出加以推广的建议。

该技术创新成果在重力流雨水外排管道上应用取得了有效验证，提高了环保在线监测设施的可靠性以及稳定运行水平。为大型重力流圆形管道，在不具备安装巴歇尔槽的情况下，提供了全新的技术应用，能够大大提升企业的运行效益。